氢气的爆炸极限抑制研究

摘要

目前最常用作浮空器充装气体的是氦气，但氦气的制取困难且价格昂贵，而氢气的制取则容易很多且价格仅为氦气的约八分之一，此外氢气还具有更小的密度，所以氢气自然而然地成为了替代氦气作为浮空器充装气体的理想选择。但阻碍氢气大规模使用的原因是氢气的易燃、易爆特性，氢气的最小点火能很低（约0.02mJ）且爆炸极限范围很大（4％~75%），因此想要用氢气替代氦气则必须要对氢气的爆炸极限进行抑制。本文通过对影响氢气爆炸极限的主要因素进行分析后，确定采用添加抑制剂的方式对氢气爆炸极限进行抑制，并通过理论研究不同物质对氢气的爆炸抑制机理提出可行的抑制剂方案，然后搭建可燃气体爆炸极限测试实验台对氢气添加各种抑制剂之后的爆炸极限进行测定，分析实验数据并根据实验结果指导氢气的安全应用，同时推荐在控制浮力损失情况下抑制效果最好的抑制剂。
　　不同物质对于氢气爆炸抑制的机理大致包括物理热力学抑制和化学反应动力学抑制两方面，惰性气体以前者为主，不可燃卤代烷烃和可燃不饱和烃气体则以后者为主。本文最终考虑将三种惰性气体（He、N2和CO2）、四种不可燃卤代烷烃（CHF3、CHClF2、CH2FCF3和C2HF5）和两者混合形成的二元混合物作为氢气的抑制剂备选方案。实验结果显示，在三种惰性气体抑制剂中，CO2相对于He和N2对氢气具有更好的抑爆效果，其主要原因是由于CO2具有较大的比热容。而不可燃卤代烷烃对氢气爆炸极限抑制作用明显强于惰性气体。二元混合抑制剂对氢气的抑爆效果则与两种组分的浓度配比有关。通过对实验结果的分族讨论，发现在不可燃卤代烷烃中碳原子数量相同的情况下，不同卤代烷烃对氢气爆炸极限的抑制效果跟其与氢气燃烧链式反应活化中心的化学反应速率直接相关。此外，本文还通过根据合适的计算方法对两种不可燃抑制剂与氢气的三元混合气体的爆炸极限取得精度良好的估算值。
　　由于氢气是最轻的气体，添加抑制剂则必然带来浮力的损失，关键如何在控制浮力损失的前提下获得尽可能好的抑爆效果。通过对文中提出的各种抑制剂在极限掺混比例下加入氢气后的爆炸极限的比较分析，发现CHF3对氢气的抑爆效果是最好的抑制剂，在控制氢气抑爆后浮力损失不超过20%的情况下，其加入氢气后的混合气体爆炸极限范围可以缩小至5.39%~58.12%。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究意义及背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 氢气的爆炸特性与爆炸抑制机理

2.1 氢气的基本物理、化学性质

2.2 氢气的爆炸特性参数

2.3 氢气爆炸极限的影响因素

2.4 不同物质对氢气爆炸抑制的作用原理

2.5 本章小结

第3章 实验台与实验方案

3.1 可燃气体爆炸极限测试实验台

3.2 实验方案

3.3 本章小结

第4章 实验结果及分析

4.1 可燃混合气体爆炸极限的计算方法

4.2 惰性气体对氢气爆炸极限的抑制

4.3 不可燃卤代烷烃对氢气爆炸极限的抑制

4.4 二元混合抑制剂的实验结果分析

4.5 本章小结

第5章 氢气抑爆研究成果的应用

5.1 氢气抑爆后的浮力损失控制

5.2 安全用氢方案及操作注意事项

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 建议与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况